Verbetering van lichtopvang in perovskiet-silicium tandem zonnecellen met nanogatenarrays

Samenvatting

Perovskiet zonnecellen worden gebruikt in silicium-gebaseerde tandem zonnecellen vanwege hun instelbare bandkloof, hoge absorptiecoëfficiënt en lage productiekosten. De relatief grote optische brekingsindex van het onderliggende silicium, in vergelijking met die van de bovengelegen perovskiet absorberlagen, leidt echter tot significante reflectieverliezen in twee-terminal apparaten. Daarom is lichtmanagement cruciaal om de fotostroomabsorptie in de Si bodemcel te verbeteren. In dit artikel wordt een nanogatenarray gevuld met TiO₂ geïntroduceerd in het ontwerp van de bodemcellen. Met behulp van de finite-difference time-domain (FDTD) methode zijn de absorptie-efficiëntie en fotostroomdichtheid in het bereik van 300–1100 nm geanalyseerd, en zijn de structurele parameters geoptimaliseerd. Onze berekeningen tonen aan dat de fotostroomdichtheid geneigd is te verzadigen met toenemende hoogte van de nanogaten. De absorptieverstärkingsmodi van fotonen bij verschillende golflengtes zijn intuïtief geanalyseerd door de verdeling van het elektrische veld. Deze resultaten bieden een haalbare en handige route naar een hoog-efficiënt ontwerp van perovskiet/Si tandem zonnecellen.

Inleiding

Zonne-energie is een vorm van hernieuwbare en schone energie, die van groot belang is voor de duurzame ontwikkeling van de mensheid. De efficiëntie van fotovoltaische omzetting en de productiekosten zijn de belangrijkste factoren die de industriële toepassing van zonnecellen bepalen, die lichtenergie direct omzetten in elektriciteit. Op dit moment zijn silicium-gebaseerde zonnecellen de marktleiders en maken 90% uit van de wereldwijde fotovoltaïsche markt. De efficiëntie van silicium-gebaseerde zonnecellen heeft 25,6% bereikt, dichtbij de theoretische limiet van Shockley-Queisser (33,7%), maar de productiekosten blijven hoog. De ontwikkeling van silicium-gebaseerde zonnecellen vereist een verlaging van de productiekosten en een verbetering van de cellefficiëntie.

Vanwege de brede energiedistributie van het zonnestroomversnellingsspectrum kan elk halfgeleidermateriaal alleen fotonen absorberen waarvan de energie groter is dan de bandkloofbreedte. Een bewijzen benadering om het zonnestroomversnellingsspectrum beter te benutten, is het vormen van een dubbele-junction tandem zonnecel. In principe kunnen Si-tandem zonnecellen selectief verschillende delen van het zonnestroomversnellingsspectrum absorberen en de single-junction Shockley-Queisser limiet overschrijden. De theoretische limiet efficiëntie van een ideaal twee-junction silicium tandem zonnecel is gerapporteerd op 46%.

Perovskiet zonnecellen hebben een groot fotovoltaïsch potentieel en hun prestaties zijn in slechts enkele jaren aanzienlijk verbeterd. De fotovoltaïsche omzettingsefficiëntie was 3,7% in 2009 en is tot nu toe gestegen tot 25,2%. Perovskiet wordt ook beschouwd als het veelbelovendste lichtabsorberend materiaal voor de volgende generatie goedkope zonnecellen. Wanneer de bandkloofbreedte van perovskiet 1,55 eV is, kan het fotonen absorberen met een golflengte korter dan 800 nm, terwijl silicium met een bandkloof van 1,12 eV fotonen kan absorberen met een golflengte langer dan 800 nm in het zonnestroomversnellingsspectrum. Wanneer de twee een tandemcel vormen van boven naar beneden, vullen hun absorptiespectra elkaar aan, wat de benutting van het zonnestroomversnellingsspectrum aanzienlijk verbetert en de productiekosten verlaagt.

Onder alle soorten perovskiet/silicium tandem zonnecellen heeft de twee-terminal monolithische tandem het grootste potentieel omdat deze kan worden geproduceerd door direct perovskietfilm af te scheiden op een silicium bodemcel om een geïntegreerde cel te verkrijgen. Bush et al. bereikten een efficiëntie van 23,6% op een rear emitter SHJ bodemcel met een p-i-n perovskiet topcel met E_g = 1,63 eV door de reductie van parasitair absorptie in de front elektronen-selectieve laag. Bovendien bereikte Oxford PV in 2018 een vermogensomzettingsefficiëntie van 28%, wat verder bevestigde dat de perovskiet/silicium tandem groot potentieel heeft om de zonneceltechnologieën te revolutioneren. Echter, in vergelijking met silicium-gebaseerde zonnecellen, die 85% van de limiet efficiëntie kunnen bereiken, hebben perovskiet/silicium-gebaseerde tandem cellen nog veel ruimte voor efficiëntieverbetering. De meeste studies richten zich op het ontwerp van de topcel en de tunneljunctie, terwijl de bodemcel meestal de getekstureerde oppervlakte of de SiN_x laag adopteert om de optische absorptie te verbeteren. Het is opmerkelijk dat een effectieve manier om selectieve absorptie te verbeteren, is het inkorporeren van het invalslicht in de golfgeleidingmodus. Voor de bovenstaande doeleinden introduceren we een nanogatenarray in het ontwerp van de bodem subcel. Tegelijkertijd is het oppervlak van de silicium nanogatenarray gladder dan een normaal getekstureerd oppervlak, wat gunstiger is voor de stroommatching tussen de top- en bodemcellen.

Methoden

In deze brief bestuderen we numeriek de lichtabsorptie-eigenschappen van perovskiet/silicium tandem apparaten met silicium nanogatenarray als bodemcellen door gebruik te maken van de finite-difference time-domain (FDTD) methode. Figuur 1 en 2 tonen het schematische overzicht van de voorgestelde nanogaten-gestructureerde perovskiet/silicium tandems cellen en het zijaanzicht van een individuele periode, respectievelijk.

In ons model is de nanogatenarray gevuld met TiO₂ als tunnellaag tussen de twee juncties. Om de studie te richten op de optische eigenschappen van de nanogestructureerde subcel, zijn de diktes van ITO, Spiro-OMeTAD, CH₃NH₃PbI₃, SiO₂ en TiO₂ vastgezet op respectievelijk 50 nm, 10 nm, 300 nm, 20 nm, 40 nm. Zoals weergegeven in Fig. 2, kan de array worden gekenmerkt door de periodiciteit (P), de diameter van de nanogaten (D), de hoogte van de nanogaten (h) en de totale hoogte van het silicium substraten (H). De vulratio is gedefinieerd als η = D/P. De totale hoogte van het silicium substraten H is vastgezet op 1 μm. Bovendien stammen de optische constanten van silicium en andere materialen die in het celontwerp worden gebruikt uit het onderzoek van F Miha. Periodieke randvoorwaarden worden toegepast in de x- en y-richting en perfect matched layer randvoorwaarden in de z-richting. De lichtbron wordt beschouwd als een vlakke golvenbron variërend van 300 tot 1100 nm, loodrecht op de nanogatenarray langs de z-richting.

R), en een tweede monitor aan de onderkant van het silicium substraten registreert de transmissie (T); de absorptie (A) van perovskiet/silicium tandems wordt bepaald door A(λ) = 1 - R(λ) - T(λ). De absorptieprestaties worden geëvalueerd door de kortsluitingstroomdichtheid J_sc, gedefinieerd als:

$$J_{sc} = \frac{e}{hc}\int_{\lambda_{min}}^{\lambda_{max}} \lambda A(\lambda)\Phi(\lambda)d_{\lambda}$$ (1)

waarbij Φ(λ) het zonnestroomversnellingsspectrum van AM1.5G is, e de elementaire lading, h de constante van Planck en c de lichtsnelheid in vacuüm. De berekening gaat ervan uit dat alle fotogegenereerde ladingsdragers worden verzameld door de elektrodes, aangezien de diffusielengte van minderheidsladingsdragers lang genoeg is in CH₃NH₃PbI₃ en kristallijn silicium.

Resultaten en discussie

Om de rollen die nanogatenarray spelen bij de lichtabsorptie in de tandem zonnecellen te verduidelijken en om het ontwerp van de optische eigenschappen te begeleiden, hebben we de absorptiecurve van de nanogatenarray onder verschillende vulratio's berekend. In het simulatiesproces werd een 300-nm CH₃NH₃PbI₃ laag en een 1-μm silicium substraten toegepast om fotonen te vangen. Zoals getoond in Fig. 3a, b, bleef de hoogte van de bodem nanogaten constant op 600 nm bij verschillende periodiciteiten. Met de toename van de vulratio van 0,1 tot 0,9 kan de absorptiecurve in drie delen worden verdeeld. In het begin toonde de absorptie een dalende prestatie in een korte golflengtebereik van 300–600 nm. Vervolgens werd waargenomen dat de absorptie van de perovskietlaag afnam in het bereik van 600–850 nm, terwijl de resonantie op zijn startpunt van 600 nm juist piek bereikte. Het derde deel valt in het bereik van 850–1100 nm en bevat in totaal drie absorptieresonantiepieken. Gezien de beperking van de perovskietlaag's dominantie over de absorptie van golflengtes kan tot 850 nm reiken, kan die waarde ook als de drempelgolflengte van CH₃NH₃PbI₃ in ons model worden beschouwd.

Uit Fig. 3c blijkt dat de fotostroomdichtheid en η een positieve correlatie vertonen, wat betekent dat deze toeneemt met de toename van η. Voor de vaste periodieke parameter lijkt de toename van de stroomdichtheid eerst in een fase met snelle groei te verkeren, en de J_i gaat geleidelijk over in het verzadigingsbereik waar de vulratio groter is dan 0,5 door de ongelijke verdeling van lange en korte golflengtes in AM1.5G. Met de toename van de vulratio werd de absorptie-efficiëntie van het silicium substraten dienovereenkomstig verbeterd; echter, het siliciummateriaal lijkt in een enkele periode af te nemen. Daarom moet de vulratio van de silicium nanogatenarray een optimale waarde presenteren. De piek van de resonantieabsorptie bereikt de waarde van bijna 1000 nm in het spectrum, en de piek kan worden beschouwd als het bereiken van zijn maximum wanneer de periodiciteit 500 nm is vergeleken met die van de andere twee voorwaarden. Figuur 3d toont de curve van de fotostroomdichtheid die toeneemt met de toename van de vulratio onder de voorwaarde wanneer P = 500 nm. Bovendien kan de rode lijn worden verkregen door polynomiale fitting. Het kan worden geconcludeerd dat wanneer de vulratio precies 0,5 bereikt, een inflectiepunt zal verschijnen in de groei van de fotostroomdichtheid.

In overeenstemming met de bovenstaande analyse zijn de geoptimaliseerde absorptieparameters van de tandem cellen op basis van de nanogatenarray te vinden bij de periodiciteit van 500 nm en de vulratio is precies 0,5. Om het emissiemechanisme van de lichtabsorptie verder te verduidelijken, worden de absorptiespectra tegenover de verschillende nanogatenhoogten vergeleken in de genoemde voorwaarde. Figuur 3a, b tonen de veranderende variatietrend van spectrale absorptie en fotostroomdichtheid samen met de toename van de nanogatenhoogtes, respectievelijk. Het kan worden samengevat dat de absorptiepiek bij de golflengte van 1000 nm een hoge afhankelijkheid vertoont met de hoogte van de nanogaten, terwijl de afhankelijkheid van de andere twee absorptiepieken getoond in Fig. 4b van de hoogte van de nanogaten zeer zwak is. Een dergelijk resultaat duidt erop dat de Mie-resonantie de excitatie domineert. Uit Fig. 4c, d kan een significante toename van de stroomdichtheid worden waargenomen die klimt van 14,53 tot 15,68 mA/cm² wanneer de diepte minder dan 300 nm is, en wanneer de h-waarden groter zijn dan 300 nm, bereikt de waarde een bijna verzadigde waarde. Een dergelijke zwakke afhankelijkheid van de nanogatenhoogte kan nuttig zijn in termen van ontwerp en productie van nanogatenarrays in de praktijk.

Als algemeen principe, wanneer de lichtgolf de interface structuur van de tandem zonnecellen binnenkomt, zullen verstrooiing en emissie effecten verschijnen. De verstrooiing van de lichtgolf veroorzaakt door de nanogatenarray structuur zal het voortplantingspad van fotonen verlengen. Om de lichtabsorptie van perovskiet/Si tandem zonnecellen met nanogatenarray verder te analyseren, kiezen de gesimuleerde experimenten de dwarsdoorsnede elektrische veld intensiteitsverdeling (|E|²) bij 500 nm, 600 nm, 700 nm, 800 nm, 900 nm en 1000 nm golflengte, terwijl de hoogte is ontworpen om vast te blijven op de waarde van h = 900 nm, wat ook in Fig. 5 wordt getoond. Het ruimtelijke profiel van de optische absorptie per eenheidsvolume in de x–z vlak kan in drie delen worden verdeeld, namelijk perovskiet, nanogatenarray en silicium substraten. In het deel van de nanogatenarray is het gestructureerde silicium gescheiden met de TiO₂ gevulde nanogaten, wat wordt aangeduid door de streepjeslijn in Fig. 5a.

Figuur 5a, b suggereren dat de topcel de absorptie van korte golflengtes (< 600 nm) kan domineren; echter, het anti-reflectie effect geproduceerd door de nanogatenarray onder de golflengte van 600 nm lijkt meer uitstekend vergeleken met dat onder de golflengte van 500 nm. Echter, door de lagere absorptiecoëfficiënt van silicium, is de absorptie ervan bij middengolflengtes (500–600 nm) lager dan die van de vlakke structuur. Ook dankzij het bestaan van de periodieke nanogaten kan een duidelijke interferentie effect in de top perovskietlaag worden waargenomen, wat betekent dat de reflectie van licht bij 700 nm en 800 nm terug in de topcellen kan gaan en de absorptie ervan versterken.

Gegeven dat de perovskiet een scherpe absorptierand heeft bij 850 nm, zullen de golflengtes van 900 nm en 1000 nm worden doorgestuurd naar en voornamelijk geabsorbeerd door de bodemcellen, zoals getoond in Fig. 5e, f. Met de vulling van TiO₂ in de silicium nanogatenarray, leidt de periodieke verdeling van het brekingsindexverschil ertoe dat de bodemcellen bedoeld zijn om de geleidingmodi te ondersteunen die het elektromagnetische veld in de buurt van de tandems lokaliseren, en de koppeling van het invalslicht met deze geleidingmodi leidt tot een duidelijke toename van de absorptie. Om de haalbaarheid van deze aanpak te illustreren, werden vier verschillende gevallen gesimuleerd om analyse te voeren onder verschillende nanogatenarray hoogtes. Al deze absorpties hebben dezelfde nanogatenarray parameters η = 0,5 en P = 500 nm, en hun invals golflengte is vastgezet op 900 nm, zoals getoond in Fig. 6. De interactie van de ondersteunde geleidingmodi is aanzienlijk versterkt samen met de toename van de hoogte van de nanogaten.

Conclusies

Samengevat, bestudeerde dit artikel de combinatie van perovskiet/silicium tandem zonnecellen met de nanogatenarray als een praktische manier voor een apparaat om een hoge-efficiëntie tandem apparaat te bereiken. We vonden dat als een geoptimaliseerde set van nanogatenarray η = 0,5 en P = 500 nm toeneemt van de waarde van 14,53 mA/cm² tot 15,68 mA/cm² wanneer de diepte van de array minder dan 300 nm is, zo'n apparaat kan dienen als voorwaarde voor hoge efficiëntie. Vervolgens, door de introductie van nanogatenarray gevuld met TiO₂, hebben we verder bewezen dat de lichtabsorptiemodus van tandem cellen zou veranderen naar een gemengde modus met verschillende lichtabsorptiemodi. De selectieve reductie in korte golflengte leidt tot de afname in korte golflengte fotonen absorptie; echter, de interferentie die het licht oppvangt in de topcel en de index-geleide lichtopvang in de bodemcel kunnen functioneren als significant de selectieve absorptie van de tandem te verbeteren. De bovenstaande experimentele resultaten bewijzen dat het een veelbelovende manier is om de absorptie van perovskiet/silicium tandem zonnecellen te verbeteren.

Beschikbaarheid van data en materialen

De conclusies in dit manuscript zijn gebaseerd op de data (hoofdtekst en figuren) gepresenteerd en getoond in dit artikel.

Afkortingen

FDTD:

Finite-difference time-domain